解析 | 速度傳感器和陀螺儀如何讓無人機(jī)飛的更穩(wěn)

在無人飛行器的飛機(jī)姿態(tài)控制這一重要應(yīng)用上，以MEMS加速度傳感器、MEMS陀螺儀為主的傳感類硬件的應(yīng)用可謂是大放異彩。

無人飛行器資料圖

在無人機(jī)飛行姿態(tài)控制中，通常在用MEMS傳感器測(cè)量角度的變化時(shí)，一般都要選擇組合式的傳感器。也就是說，既不能單純地依賴加速度傳感器，也不能單純依賴陀螺儀。為什么呢？究其原因，這是由每種傳感器自身的局限性所決定的。例如，陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時(shí)，陀螺儀仍是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差，積分時(shí)間越長(zhǎng)，誤差就越大。這時(shí)候，便需要加速度傳感器的加入，利用加速度傳感器來對(duì)陀螺儀進(jìn)行校正。由于加速度傳感器可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。同時(shí)，它沒有積分誤差，所以加速度傳感器在相對(duì)靜止的條件下，可以有效校正陀螺儀的誤差。但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，加速度傳感器輸出的可信度就要下降，因?yàn)樗鼫y(cè)量的是重力和外力的合力。

多軸無人飛行器資料圖

目前，無人機(jī)在應(yīng)用中的較常見算法，就是利用互補(bǔ)濾波，即結(jié)合加速度傳感器和陀螺儀的輸出，來算出角度變化。

另外，無人機(jī)應(yīng)用的環(huán)境決定了它所使用的MEMS傳感器必須適用于各種惡劣條件，同時(shí)獲得高精度的輸出。

例如，陀螺儀的理想輸出是只響應(yīng)角速度變化，但實(shí)際上受設(shè)計(jì)和工藝的限制，陀螺儀對(duì)加速度也是敏感的，就是我們?cè)谕勇輧x數(shù)據(jù)手冊(cè)上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。對(duì)于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個(gè)指標(biāo)尤為重要，因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會(huì)帶來較強(qiáng)烈的振動(dòng)，一旦減震控制不好，就會(huì)在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢(shì)必會(huì)帶來陀螺儀輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達(dá)就會(huì)誤動(dòng)作，最后帶給用戶的直觀感覺就是飛行器飛得不穩(wěn)。

飛控是什么？

飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡(jiǎn)稱飛控，可以看作飛行器的大腦。多軸飛行器的飛行、懸停，姿態(tài)變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運(yùn)算和判斷下達(dá)指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整。

控可以理解成無人機(jī)的CPU系統(tǒng)，是無人機(jī)的核心部件，其功能主要是發(fā)送各種指令，并且處理各部件傳回的數(shù)據(jù)。類似于人體的大腦，對(duì)身體各個(gè)部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運(yùn)算后發(fā)出新的指令。例如，大腦指揮手去拿一杯水，手觸碰到杯壁后，因?yàn)樗珷C而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送新的指令。

無人機(jī)的飛行原理及控制方法（以四旋翼無人機(jī)為例）

四旋翼無人機(jī)一般是由檢測(cè)模塊，控制模塊，執(zhí)行模塊以及供電模塊組成。檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測(cè)；執(zhí)行模塊則是對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算，優(yōu)化控制，并對(duì)執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制量；供電模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

四旋翼無人機(jī)機(jī)身是由對(duì)稱的十字形剛體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，材料多采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳素纖維；在十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)分別安裝一個(gè)由兩片槳葉組成的旋翼為飛行器提供飛行動(dòng)力，每個(gè)旋翼均安裝在一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)控制每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，來提供不同的升力以實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)；每個(gè)電機(jī)均又與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件、中央控制單元相連接，通過中央控制單元提供的控制信號(hào)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小；IMU慣性測(cè)量單元為中央控制單元提供姿態(tài)解算的數(shù)據(jù)，機(jī)身上的檢測(cè)模塊為無人機(jī)提供了解自身位姿情況最直接的數(shù)據(jù)，為四旋翼無人機(jī)最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行提供了保障。

現(xiàn)將位于四旋翼機(jī)身同一對(duì)角線上的旋翼歸為一組，前后端的旋翼沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，從而可以產(chǎn)生順時(shí)針方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生逆時(shí)針方向的扭矩，如此四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩便可相互之間抵消掉。由此可知，四旋翼飛行器的所有姿態(tài)和位置的控制都是通過調(diào)節(jié)四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)的。一般來說，四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要分為懸停、垂直運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)以及偏航運(yùn)動(dòng)五種狀態(tài)。

懸停

懸停狀態(tài)是四旋翼無人機(jī)具有的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。在懸停狀態(tài)下，四個(gè)旋翼具有相等的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等，即。并且因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速大小相等，前后端轉(zhuǎn)速和左右端轉(zhuǎn)速方向相反，從而使得飛行器總扭矩為零，使得飛行器靜止在空中，實(shí)現(xiàn)懸停狀態(tài)。

垂直運(yùn)動(dòng)

垂直運(yùn)動(dòng)是五種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中較為簡(jiǎn)單的一種，在保證四旋翼無人機(jī)每個(gè)旋轉(zhuǎn)速度大小相等的倩況下，同時(shí)對(duì)每個(gè)旋翼增加或減小大小相等的轉(zhuǎn)速，便可實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)同時(shí)増加四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，使得旋翼產(chǎn)生的總升力大小超過四旋翼無人機(jī)的重力時(shí)，即，四旋翼無人機(jī)便會(huì)垂直上升；反之，當(dāng)同時(shí)減小旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，使得每個(gè)旋翼產(chǎn)生的總升力小于自身重力時(shí)，即，四旋翼無人機(jī)便會(huì)垂直下降，從而實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的垂直升降控制。

翻滾運(yùn)動(dòng)

翻滾運(yùn)動(dòng)是在保持四旋翼無人機(jī)前后端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉(zhuǎn)速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿飛行器機(jī)體左右對(duì)稱軸上產(chǎn)生一定力矩，導(dǎo)致在方向上產(chǎn)生角加速度實(shí)現(xiàn)控制的。如圖2.3所示，增加旋翼1的轉(zhuǎn)速，減小旋翼3的轉(zhuǎn)速，則飛行器傾斜于右側(cè)飛行；相反，減小旋翼４，增加旋翼２，則飛行器向左傾斜飛行。

俯仰運(yùn)動(dòng)

四旋翼飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)相似，是在保持機(jī)身左右端旋翼轉(zhuǎn)速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉(zhuǎn)速形成前后旋翼升力差，從而在機(jī)身前后端對(duì)稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實(shí)現(xiàn)控制的。如圖2.4所示，增加旋翼３的轉(zhuǎn)速，減小旋翼１的轉(zhuǎn)速，則飛行器向前傾斜飛行；反之，則飛行器向后傾斜。

偏航運(yùn)動(dòng)

四旋翼的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過同時(shí)兩兩控制四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制的。保持前后端或左右端旋翼轉(zhuǎn)速相同時(shí)，其便不會(huì)發(fā)生俯仰或滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)每組內(nèi)的兩個(gè)旋翼與另一組旋翼轉(zhuǎn)速不同時(shí)，由于兩組旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同，便會(huì)導(dǎo)致反扭矩力的不平衡，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生繞機(jī)身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。如圖2.3所示，當(dāng)前后端旋翼的轉(zhuǎn)速相等并大于左右端旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，因?yàn)榍罢哐仨槙r(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，后者相反，總的反扭矩沿逆時(shí)針方向，反作用力作用在機(jī)身中心軸上沿逆時(shí)針方向，引起逆時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)；反之，則會(huì)引起飛行器的順時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，四旋翼無人機(jī)的各個(gè)飛行狀態(tài)的控制是通過控制對(duì)稱的四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，形成相應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)的。但是在飛行過程中卻有六個(gè)自由度輸出，因此它是一種典型的欠驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。例如，旋翼1的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)向左翻滾，同時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩會(huì)大于順時(shí)針的力矩，從而進(jìn)一步使得無人機(jī)向左偏航，此外翻滾又會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)的向左平移，可以看出，四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)和平動(dòng)是耦合的。

四旋翼無人機(jī)自主飛行的控制

四旋翼無人機(jī)的精確航跡跟蹤是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行的基本要求。由于四旋翼無人機(jī)自身存在姿態(tài)與平動(dòng)的耦合關(guān)系以及模型參數(shù)不確定性與外界擾動(dòng)，因此只有實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的穩(wěn)定控制才能完成航跡的有效跟蹤。

在四旋翼無人機(jī)的自主控制系統(tǒng)中，姿態(tài)穩(wěn)定控制是實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行的基礎(chǔ)。其任務(wù)是控制四旋翼無人機(jī)的三個(gè)姿態(tài)角（俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角）穩(wěn)定地跟蹤期望姿態(tài)信號(hào)，并保證閉環(huán)姿態(tài)系統(tǒng)具有期望的動(dòng)態(tài)特性。由于四旋翼無人機(jī)姿態(tài)與平動(dòng)的耦合特點(diǎn)，分析可以得知，只有保證姿態(tài)達(dá)到穩(wěn)定控制，才使得旋翼總升力在期望的方向上產(chǎn)生分量，進(jìn)而控制飛行器沿期望的航跡方向飛行。而四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)在實(shí)際飛行環(huán)境中回受到外界干擾和不精確模型的參數(shù)誤差、測(cè)量噪聲等未建模動(dòng)態(tài)對(duì)控制效果的影響。所以，需要引入適當(dāng)?shù)挠^測(cè)器和控制器對(duì)總的不確定性進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，并對(duì)其估計(jì)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，來保證四旋翼無人機(jī)在外界存在干擾下對(duì)姿態(tài)的有效跟蹤。

四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制應(yīng)根據(jù)其實(shí)際的工作特性以及動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而針對(duì)姿態(tài)的三個(gè)通道（俯仰，翻滾和偏航）分別設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器，每個(gè)通道中都對(duì)應(yīng)引入相應(yīng)的控制器，其流程如下所示。

此方法可以基本保證每個(gè)通道的實(shí)際姿態(tài)值跟蹤上期望值。但是，在只考慮對(duì)模型本身進(jìn)行控制時(shí)，沒有考慮到外部不確定性對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的影響。微小型無人機(jī)在飛行時(shí)，由于機(jī)體較小，電機(jī)的振動(dòng)較強(qiáng)，很容易受到外界環(huán)境的干擾。因此，整個(gè)通道中必然存在不確定因素，比如模型誤差、環(huán)境干擾、觀測(cè)誤差等，這些不確定性將降低系統(tǒng)的閉環(huán)性能。所以在設(shè)計(jì)無人機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，即閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。因此需要設(shè)計(jì)一定的干擾補(bǔ)償器對(duì)干擾進(jìn)行逼近和補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的穩(wěn)定跟蹤。

只有在保證飛機(jī)姿態(tài)可以保持穩(wěn)定才能進(jìn)一步討論如何控制路徑保持穩(wěn)定，在時(shí)間尺度上進(jìn)行分析，飛機(jī)的姿態(tài)角變化的頻率要大于飛機(jī)位置的頻率。所以，針對(duì)軌跡跟蹤應(yīng)當(dāng)使用內(nèi)外雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)角，外環(huán)控制位置。

IMU慣性測(cè)量單元

現(xiàn)在的飛控內(nèi)部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸地磁傳感器和氣壓計(jì)組成的一個(gè)IMU，也稱慣性測(cè)量單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計(jì)，什么是三軸地磁傳感器呢，什么是氣壓計(jì)呢？它們?cè)陲w機(jī)上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個(gè)軸呢？

三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機(jī)左右，前后垂直方向上下這三個(gè)軸，一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機(jī)中叫做橫滾，前后方向在飛機(jī)中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時(shí)候基本上都玩過，在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下它很難站在地上，只有轉(zhuǎn)動(dòng)起來了，它才會(huì)站立在地上，或者說自行車，輪子越大越重的車子就越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候明顯能夠感覺到一股阻力，這就是陀螺效應(yīng)，根據(jù)陀螺效應(yīng)，聰明的人們發(fā)明出的陀螺儀。最早的陀螺儀是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，通過三個(gè)靈活的軸將這個(gè)陀螺固定在一個(gè)框架中，無論外部框架怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個(gè)姿態(tài)。通過三個(gè)軸上的傳感器就能夠計(jì)算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。

由于成本高，機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，現(xiàn)在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優(yōu)勢(shì)就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，穩(wěn)定性還有精度都比機(jī)械陀螺高。說道這，大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧，它就是測(cè)量XYZ三個(gè)軸的傾角的。

那么三軸加速度計(jì)時(shí)干什么的呢？剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個(gè)軸，現(xiàn)在不用說也就明白三軸加速度計(jì)也是XYZ三個(gè)軸。當(dāng)我們開車起步的一瞬間就會(huì)感到背后有一股推力，這股推力呢就是加速度，加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化時(shí)間的比值，是描述物體變化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一輛車在停止?fàn)顟B(tài)下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時(shí)10秒，這就是這輛車的加速度，如果車速每秒10米的速度行駛，它的加速度就是0，同樣，用10秒的時(shí)間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負(fù)數(shù)。三軸加速度計(jì)就是測(cè)量飛機(jī)XYZ三個(gè)軸的加速度。

我們?nèi)粘３鲂卸际歉鶕?jù)路標(biāo)或記憶來尋找自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個(gè)電子指南針，它可以讓飛機(jī)知道自己的飛行朝向，機(jī)頭朝向，找到任務(wù)位置和家的位置。氣壓計(jì)呢就是測(cè)量當(dāng)前位置的大氣壓，都知道高度越高，氣壓越低，這就是人到高原之后為什么會(huì)有高原反應(yīng)了，氣壓計(jì)是通過測(cè)量不同位置的氣壓，計(jì)算壓差獲得到當(dāng)前的高度，這就是整個(gè)IMU慣性測(cè)量單元，它在飛機(jī)中起到的作用就是感知飛機(jī)姿態(tài)的變化，例如飛機(jī)當(dāng)前是前傾還是左右傾斜，機(jī)頭朝向、高度等最基本的姿態(tài)數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)在飛控中起到的作用是什么呢？

飛控最基本的功能控制一架飛機(jī)在空中飛行時(shí)的平衡，是由IMU測(cè)量，感知飛機(jī)當(dāng)前的傾角數(shù)據(jù)通過編譯器編譯成電子信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)通過信號(hào)新時(shí)時(shí)傳輸給飛控內(nèi)部的單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)的是運(yùn)算，根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的數(shù)據(jù)，計(jì)算出一個(gè)補(bǔ)償方向，補(bǔ)償角，然后將這個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)編譯成電子信號(hào)，傳輸給舵機(jī)或電機(jī)，電機(jī)或舵機(jī)在去執(zhí)行命令，完成補(bǔ)償動(dòng)作，然后傳感器感知到飛機(jī)平穩(wěn)了，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)再次給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)停止補(bǔ)償信號(hào)，這就形成了一個(gè)循環(huán)，大部分飛控基本上都是10HZ的內(nèi)循環(huán)，也就是1秒刷新十次。

這就是飛控最基本的功能，如果沒有此功能，當(dāng)一個(gè)角一旦傾斜，那么飛機(jī)就會(huì)快速的失去平衡導(dǎo)致墜機(jī)，或者說沒有氣壓計(jì)測(cè)量不到自己的高度位置就會(huì)一直加油門或者一直降油門。其次，固定翼飛控還有空速傳感器，空速傳感器一般位于機(jī)翼上或機(jī)頭，但不會(huì)在螺旋槳后邊，空速傳感器就是兩路測(cè)量氣壓的傳感器，一路測(cè)量靜止氣壓，一路測(cè)量迎風(fēng)氣壓，在計(jì)算迎風(fēng)氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當(dāng)前的空氣流速。

有了最基本的平衡、定高和指南針等功能，還不足以讓一家飛機(jī)能夠自主導(dǎo)航，就像我們?nèi)ツ硞€(gè)商場(chǎng)一樣，首先我們需要知道商場(chǎng)的所在位置，知道自己所在的位置，然后根據(jù)交通情況規(guī)劃路線。飛控也亦然，首先飛控需要知道自己所在位置，那就需要定位的，也就是我們常說的GPS，現(xiàn)在定位的有GPS、北斗、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等定位系統(tǒng)，但是這里面手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位是最差的，誤差好的話幾十米，不好的話上千米，這種誤差是飛控?zé)o法接受的，由于GPS定位系統(tǒng)較早，在加上是開放的，所以大部分飛控采用的都是GPS，也有少數(shù)采用的北斗定位。精度基本都在3米內(nèi)，一般開闊地都是50厘米左右，因環(huán)境干擾，或建筑物、樹木之類的遮擋，定位可能會(huì)差，很有可能定位的是虛假信號(hào)。這也就是為什么民用無人機(jī)頻頻墜機(jī)、飛丟的一個(gè)主要原因

加速度傳感器可以幫助你的機(jī)器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對(duì)于飛行類的機(jī)器人來說，對(duì)于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。更要確保的是，你的機(jī)器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個(gè)好的程序員能夠使用加速度傳感器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。通過測(cè)量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過分析動(dòng)態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式。但是剛開始的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)光測(cè)量?jī)A角和加速度好像不是很有用。但是，現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。

有些筆記本電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動(dòng)，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個(gè)用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。

加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)，地震檢測(cè)，報(bào)警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上。加速度傳感器工作原理

線加速度計(jì)的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量）我們只需要測(cè)量F就可以了。怎么測(cè)量F？用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到 F對(duì)應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號(hào)傳輸、放大、濾波就是電路的事了。

現(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價(jià)、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、空間系統(tǒng)、科學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應(yīng)用新興的微機(jī)械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動(dòng)快、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價(jià)格比很高。可以預(yù)見在不久的將來，它將在加速度傳感器市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。

微加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。

壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號(hào)。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，商業(yè)化使用歷史也很長(zhǎng)，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場(chǎng)上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零頻率的信號(hào)。

壓電式加速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在兩塊表面鍍銀的壓電晶片（石英晶體或壓電 陶瓷）間夾1片金屬薄片，并引出輸出信號(hào)的引線。在壓電晶片上放置1塊質(zhì)量塊，并用硬彈 簧對(duì)壓電元件施加預(yù)壓縮載荷。靜態(tài)預(yù)載荷的大小應(yīng)遠(yuǎn)大于傳感器在振動(dòng)、沖擊測(cè)試中可能 承受的最大動(dòng)應(yīng)力。這樣，當(dāng)傳感器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓應(yīng)力 增加；反之，當(dāng)傳感器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電元件的壓應(yīng)力減小，從而輸出與加速度成正比例的電 信號(hào)。

傳感器整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座上，并用金屬殼體加以封罩。為了隔離試件的任何應(yīng)變 傳遞到壓電元件上去，基座尺寸較大。測(cè)試時(shí)傳感器的基座與測(cè)試件剛性連接。當(dāng)測(cè)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的諧振頻率時(shí)，傳感器輸出電荷（或電壓）與測(cè)試件的加速度成正比，經(jīng)電荷放大器或電壓放大器即可測(cè)出加速度。

應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測(cè)量電橋，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性以適合各種不同的測(cè)量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測(cè)量，到直流高靈敏度的低頻測(cè)量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時(shí)壓阻式加速度傳感器測(cè)量頻率范圍也可從直流信號(hào)到具有剛度高，測(cè)量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測(cè)量。超小型化的設(shè)計(jì)也是壓阻式傳感器的一個(gè)亮點(diǎn)。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有很大靈活性，但對(duì)某個(gè)特定設(shè)計(jì)的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點(diǎn)是受溫度的影響較大，實(shí)用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在價(jià)格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價(jià)具有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但對(duì)特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。

電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動(dòng)而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計(jì)與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較?。坏蛔阒幈憩F(xiàn)在信號(hào)的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號(hào)源，因此電容傳感器的輸出信號(hào)往往需通過后繼電路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測(cè)量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)，地震檢測(cè)，報(bào)警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上。

目前，大部分設(shè)備都提供了可以檢測(cè)各個(gè)方向的加速度傳感器。以iOS設(shè)備為例，我們利用了其三軸加速度傳感器（x，y，z軸代表方向如圖）的特性來分析。分別用以檢測(cè)人步行中三個(gè)方向的加速度變化。

三軸加速度傳感器示意圖

用戶在水平步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，如圖所示。在步行收腳的動(dòng)作中，由于重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢(shì)，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時(shí)減小，在邁步時(shí)增加。

反映到圖表中，可以看到，在步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時(shí)間大致為一個(gè)正弦曲線，而且在某點(diǎn)有一個(gè)峰值。其中，垂直方向的加速度變化最大，通過對(duì)軌跡的峰值進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。

計(jì)步的合理算法因?yàn)橛脩粼谶\(yùn)動(dòng)中可能用手平持設(shè)備，或者將設(shè)備置于口袋中。所以，設(shè)備的放置方向不定。為此，通過計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長(zhǎng)度，我們可以獲得一條步行運(yùn)動(dòng)的正弦曲線軌跡。第二步是峰值檢測(cè)，我們記錄了上次矢量長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)方向，通過矢量長(zhǎng)度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較。如果是相反的，即是剛過峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步，否則舍棄。通過對(duì)峰值的次數(shù)累加，可得到用戶步行的步伐。最后，就是去干擾。手持設(shè)備會(huì)有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，或是我們俗稱的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶想通過短時(shí)快速反復(fù)搖動(dòng)設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會(huì)影響記步的準(zhǔn)確值，對(duì)于這種干擾，我們可以通過給檢測(cè)加上閥值和步頻判斷來過濾。

陀螺儀原理

陀螺儀是用來測(cè)量角速率的器件，在加速度功能基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步發(fā)展，構(gòu)建陀螺儀。

陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的：對(duì)固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個(gè)質(zhì)量塊做振蕩式來回運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生科里奧利加速度，此時(shí)就可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；這有點(diǎn)類似于加速度計(jì)，解碼方法大致相同，都會(huì)用到放大器。

角速率由科氏加速度測(cè)量結(jié)果決定

科氏加速度 = 2 × （w × 質(zhì)量塊速度）

w是施加的角速率（w = 2 πf）

通過14 kHz共振結(jié)構(gòu)施加的速度（周期性運(yùn)動(dòng)）快速耦合到加速度計(jì)框架

科氏加速度與諧振器具有相同的頻率和相位，因此可以抵消低速外部振動(dòng)

該機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)相似（微加工多晶硅）

信號(hào)調(diào)理（電壓轉(zhuǎn)換偏移）采用與加速度計(jì)類似的技術(shù)

施加變化的電壓來回移動(dòng)器件，此時(shí)器件只有水平運(yùn)動(dòng)沒有垂直運(yùn)動(dòng)。如果施加旋轉(zhuǎn)，可以看到器件會(huì)上下移動(dòng)，外部指將感知該運(yùn)動(dòng)，從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的信號(hào)。

上面的動(dòng)畫，只是抽象展示了陀螺儀的工作原理，而真實(shí)的陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造是下面這個(gè)樣子，別不小心誤會(huì)了哦~

PS：陀螺儀可以三個(gè)一起設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)于所謂滾動(dòng)、俯仰和偏航。任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滾動(dòng)是指向左或向右翻滾。要正確控制任何類型的航空器或?qū)棧夹枰肋@三個(gè)參數(shù)，這就會(huì)用到陀螺儀。它們還常常用于汽車導(dǎo)航，當(dāng)汽車進(jìn)入隧道而失去GPS信號(hào)時(shí)，這些器件會(huì)記錄您的行蹤。

無人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)，獲取的無人機(jī)影像通常會(huì)攜帶配套的POS數(shù)據(jù)。從而在處理中可以更加方便的處理影像。而POS數(shù)據(jù)主要包括GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)，即傾斜攝影測(cè)量中的外方位元素：（緯度、經(jīng)度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滾角（Kappa））。

GPS數(shù)據(jù)一般用X、Y、Z表示，代表了飛機(jī)在飛行中曝光點(diǎn)時(shí)刻的地理位置。

飛控是由主控MCU和慣性測(cè)量模塊（IMU，Inertial Measurement Unit）組成。IMU提供飛行器在空間姿態(tài)的傳感器原始數(shù)據(jù)，一般由陀螺儀傳感器/加速度傳感器/電子羅盤提供飛行器9DOF數(shù)據(jù)。

IMU中的傳感器用來感知飛行器在空中的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這有個(gè)專有名詞叫做運(yùn)動(dòng)感測(cè)追蹤，英文Motion Tracking。運(yùn)動(dòng)感測(cè)技術(shù)主要有四種基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)傳感器，下面分別說明其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)感測(cè)追蹤的原理。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）

IMU中使用的傳感器基本上都是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），是半導(dǎo)體工業(yè)中非常重要的一個(gè)分支。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS， Micro-Electro-Mechanical System）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。微機(jī)電系統(tǒng)是微米大小的機(jī)械系統(tǒng)，是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。

我們的四軸飛行器上用到的加速度陀螺儀MPU6050，電子羅盤HMC5883L都是微機(jī)電系統(tǒng)，屬于傳感MEMS分支。傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機(jī)械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉(zhuǎn)換電信號(hào)的器件和系統(tǒng)。

陀螺儀數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

原理

一款飛控上的傳感器是需要進(jìn)行校準(zhǔn)的，比如這里講的陀螺儀。目前大多數(shù)的陀螺校準(zhǔn)其實(shí)就是去掉零點(diǎn)偏移量，采集一定的數(shù)據(jù)，求平均，這個(gè)平均值就是零點(diǎn)偏移，后續(xù)飛控所讀的數(shù)據(jù)減去零偏即可，如下所示：

這里乘以0.005其實(shí)就是除以200，表示采集的200個(gè)數(shù)據(jù)。

目的

零點(diǎn)偏移對(duì)陀螺、進(jìn)而對(duì)飛控的影響是巨大的，舉個(gè)例子，加入x軸有0.2度/秒的零偏，那通過這個(gè)x軸計(jì)算出來的角度，也不會(huì)是從0度開始，造成姿態(tài)角有偏差，所以飛行過程中會(huì)很難控水平。

一般方法

陀螺的校準(zhǔn)比較簡(jiǎn)單，一般上電后，自己執(zhí)行即可，然后保存這個(gè)零偏，另每次上電得到的零偏都不同，所以需要每次都校準(zhǔn)一次。PX4原生飛控，這點(diǎn)做得很蠢，在QGC地面站的傳感器校準(zhǔn)頁面中，需要用戶自己點(diǎn)擊進(jìn)行校準(zhǔn)，不會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，當(dāng)然這個(gè)很好改。

進(jìn)階

考慮到如果是小白用戶，或者沒細(xì)看說明書，通常有陀螺上電自動(dòng)校準(zhǔn)的話，是需要通電后保持靜止的，否則校準(zhǔn)得到的是一個(gè)錯(cuò)誤值，所以最好能識(shí)別飛行器是否在靜止?fàn)顟B(tài)，然后再進(jìn)行校準(zhǔn)。方法也很簡(jiǎn)單，就是判定兩次采集的數(shù)據(jù)差的和是否超過一定閾值，超過閾值，說明在運(yùn)動(dòng)中，這里就不啟用校準(zhǔn)，LED紅燈提示，飛控代碼在此不斷循環(huán)待機(jī)，直至靜止?fàn)顟B(tài)。

陀螺的誤差分析

作為飛控系統(tǒng)上的核心傳感器，陀螺儀的重要程度不言而喻。飛控的姿態(tài)數(shù)據(jù)很大程度上需要依賴陀螺儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量。但是低成本的MEMS傳感器，比如飛控上常用的mpu6050/mpu6000等，在使用過程中，誤差一直伴隨著測(cè)量值，所以這里就簡(jiǎn)單談?wù)動(dòng)心男┱`差，以及處理的方法。

MEMS慣性器件的誤差一般分成兩類：系統(tǒng)性誤差和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)性誤差本質(zhì)就是能找到規(guī)律的誤差，所以可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)?，主要包括常值偏移、比例因子、軸安裝誤差等。但是隨機(jī)誤差一般指噪聲，無法找到合適的關(guān)系函數(shù)去描述噪聲，所以很難處理。一般采用時(shí)間序列分析法對(duì)零點(diǎn)偏移的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差建模分析，可以用卡爾曼濾波算法減小隨機(jī)噪聲的影響。

從物理意義和誤差來源分，也把 MEMS 陀螺儀漂移分為常值漂移、角度隨機(jī)游走、速率隨機(jī)游走、量化噪聲和速率斜坡等。

陀螺數(shù)據(jù)噪聲成分辨識(shí)

要對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理首先需要對(duì)其噪聲成分進(jìn)行辨識(shí)。Allan方差分析法是目前最常用的陀螺噪聲辨識(shí)方法之一。由于Allan方差分析是通過調(diào)節(jié)Allan方差濾波器帶寬，對(duì)功率譜進(jìn)行細(xì)致分割，能夠辨識(shí)出多種不同類型的隨機(jī)過程誤差，并定量分離各項(xiàng)誤差系數(shù)，而且算法上操作簡(jiǎn)單、便于計(jì)算，在陀螺噪聲辨識(shí)方面優(yōu)勢(shì)明顯。

Allan方差實(shí)質(zhì)上就是通過求取整個(gè)信息采集過程中相鄰時(shí)間段的方差形式來對(duì)信號(hào)在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的穩(wěn)定情況進(jìn)行衡量的過程。Allan方差的雙對(duì)數(shù)曲線的典型形式以及不同斜率段的曲線代表的噪聲成分如下圖：

用傳感器靜止采集數(shù)據(jù)10000s左右，采用周期是100Hz。allan方差結(jié)果如下圖所示。

所以這里的MEMS陀螺所包含的噪聲成分主要有：角度隨機(jī)游走、相關(guān)噪聲、速率隨機(jī)游走，而其中代表零偏不穩(wěn)定性的斜率為0的部分曲線很短，可以認(rèn)為兩個(gè)陀螺中零偏不穩(wěn)定性影響都相對(duì)較小，所以前面進(jìn)行的陀螺校準(zhǔn)得到的零偏可以認(rèn)為是一個(gè)常值。

一個(gè)簡(jiǎn)單的模型

這里描述一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，認(rèn)為陀螺的數(shù)據(jù)誤差主要是零偏和白噪聲，如下所示：

最后得到的參數(shù)：

模型對(duì)比如下圖：

放大部分：

所以兩者模型，基本一致的，在一般應(yīng)用中，可以滿足需求。

陀螺的溫飄特性

MEMS的陀螺儀的零偏是會(huì)受到環(huán)境溫度的影響產(chǎn)生變化的，直觀感受就是，筆者曾經(jīng)在夏天，進(jìn)行飛行測(cè)試時(shí)，由于飛控上面無遮擋，當(dāng)飛行一段時(shí)間后，飛控不能回平了，也就是說，溫度變化的情況下，解算的姿態(tài)角數(shù)據(jù)有偏差了，本質(zhì)是上電校準(zhǔn)的零偏不能再用了，如下圖的數(shù)據(jù)：

雖然極端天氣下飛行的機(jī)會(huì)不多，但是一款成熟的飛控產(chǎn)品還是要考慮這個(gè)因素的，比如在高溫、極端寒冷條件下。

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